Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Năng lượng điện là yếu tố nền tảng phục vụ cho hoạt động sản xuất và đời sống dân sinh, được khai thác từ nhiều nguồn như thủy điện, nhiệt điện, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, trước tình trạng cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và nguy cơ biến đổi khí hậu toàn cầu, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đã trở thành một yêu cầu cấp bách. Các phong trào nâng cao nhận thức cộng đồng như chiến dịch "Giờ Trái đất" do Quỹ Quốc tế về Bảo vệ Thiên nhiên (WWF) khởi xướng (vận động tắt các thiết bị điện không cần thiết trong một giờ từ 8h30 đến 9h30 tối ngày thứ Bảy cuối cùng của tháng Ba) đã thu hút khoảng 7.000 thành phố thuộc 172 quốc gia và vùng lãnh thổ tham gia.
Trong bối cảnh đó, việc kiểm soát và giám sát mức tiêu thụ điện năng tại các cơ sở kinh doanh, xí nghiệp và xưởng sản xuất có ý nghĩa then chốt để cắt giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Nhằm đáp ứng nhu cầu này, đề tài "Giám sát mức tiêu thụ điện năng của mô hình một xưởng sản xuất sử dụng hệ thống IoT" được thực hiện để nghiên cứu và chế tạo hệ thống tự động đo lường dòng điện tải, truyền dữ liệu thời gian thực lên máy chủ web, vẽ biểu đồ tiêu thụ và đưa ra cảnh báo quá dòng.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 4 nội dung cụ thể:
- Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Node.js để lập trình cho webserver.
- Tìm hiểu về phần cứng của module Wi-Fi ESP8266, cách lập trình và nạp chương trình cho module.
- Thi công mô hình một xưởng sản xuất.
- Kiểm tra tính ổn định hoạt động của toàn bộ hệ thống mạch.
Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 10 bước công việc:
- Thiết kế và thi công mô hình mạch phần cứng.
- Tính toán chọn linh kiện phù hợp cho mạch và các động cơ tiêu thụ cho mô hình.
- Khảo sát các hệ thống và bố trí thiết bị trong mô hình xưởng sản xuất.
- Xây dựng mô hình và thiết lập sơ đồ khối cho toàn bộ hệ thống.
- Thiết kế và khảo sát mạch nguyên lý trên phần mềm chuyên dụng.
- Tính toán và lựa chọn linh kiện phục vụ thực nghiệm.
- Thi công mô hình phần cứng thực nghiệm.
- Lập trình webserver để tiếp nhận và cập nhật dữ liệu liên tục.
- Kiểm tra, hiệu chỉnh độ ổn định và sai số của mô hình.
- Tổng hợp dữ liệu và hoàn thiện báo cáo luận văn tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lường dòng điện, truyền thông dữ liệu không dây qua Wi-Fi và nền tảng web server giám sát mức tiêu thụ điện năng cho các thiết bị điện xoay chiều.
- Phạm vi không gian: Mô hình thử nghiệm xưởng sản xuất thu nhỏ với khung kích thước hình vuông $50\text{ cm} \times 50\text{ cm}$.
- Phạm vi phụ tải thực nghiệm: Sử dụng 02 thiết bị điện xoay chiều công suất thấp gồm nồi cơm điện Kim Cương dung tích 0,6 lít (công suất định mức 350W) và bình đun nước siêu tốc.
- Phạm vi cảm biến: Cảm biến dòng ACS712 phiên bản dải đo tối đa 20A.
- Thời gian thực hiện: Đề tài được giao ngày 25/09/2016 và hoàn thành ngày 01/01/2017 tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và công thức tính toán
Cơ sở tính toán điện năng tiêu thụ của tải xoay chiều một pha dựa trên công thức công suất điện và năng lượng tiêu thụ theo thời gian:
$$P = U \cdot I$$
Trong đó:
- $P$: Công suất tiêu thụ của thiết bị (đơn vị: $\text{W}$ hoặc $\text{kW}$).
- $U$: Hiệu điện thế nguồn cấp (đơn vị: $\text{V}$).
- $I$: Cường độ dòng điện chạy qua thiết bị (đơn vị: $\text{A}$).
Điện năng tiêu thụ $A$ trong khoảng thời gian $t$ được xác định theo biểu thức:
$$A = P \cdot t$$
Trong đó $A$ tính bằng $\text{kWh}$ và thời gian vận hành $t$ tính bằng giờ ($\text{h}$).
Cơ sở phần cứng và công nghệ
- Module Wi-Fi ESP8266: Là dòng vi mạch tích hợp hệ thống trên chip (SoC) với bộ xử lý CPU 32-bit công suất thấp, vận hành ở mức điện áp $3{,}3\text{V}$. Module hỗ trợ chuẩn Wi-Fi $802.11\text{ b/g/n}$ tần số $2{,}4\text{ GHz}$, bảo mật WPA/WPA2, giao tiếp UART với tốc độ baud tối đa 115200. Thiết bị có khả năng hoạt động ở 3 chế độ mạng: Client (Station), Access Point (AP), hoặc đồng thời cả Client và Access Point; hỗ trợ truyền nhận dữ liệu qua giao thức TCP/UDP và tập lệnh cấu hình AT Command.
- Cảm biến dòng điện ACS712: IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall, có khả năng đo dòng AC và DC với ngõ ra analog $V_{out}$ tỷ lệ thuận với dòng qua tải. Đường dẫn dòng điện bên trong có điện trở $1{,}2\text{ m}\Omega$, điện áp cách điện $2{,}1\text{ kV RMS}$ giữa chân 1-4 và chân 5-8, điện áp hoạt động $5\text{V}$, thời gian đáp ứng $5\mu\text{s}$, băng thông $80\text{ kHz}$. Phiên bản ACS712-20A có dải đo từ $-20\text{A}$ đến $+20\text{A}$ với độ nhạy điện áp $100\text{ mV/A}$.
- Máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+: Đóng vai trò máy chủ lưu trữ và xử lý dữ liệu webserver. Phần cứng tích hợp vi xử lý 32-bit Broadcom ARM1176JZF-S xung nhịp $700\text{ MHz}$, 40 chân GPIO mở rộng, 4 cổng USB $2.0$ (cung cấp dòng chuẩn $500\text{ mA}$), cổng mạng Ethernet RJ45, ngõ ra HDMI, cổng kết nối camera CSI, khe cắm thẻ nhớ Micro SD và cổng nguồn Micro USB $5\text{V}-2\text{A}$, chạy hệ điều hành nền tảng Linux.
- Khối hạ áp và bảo vệ: Biến áp nguồn $220\text{VAC}/12\text{VDC}$, cầu Diode 5A nắn dòng thành $15\text{VDC}$, IC ổn áp LM7805 hạ áp về $5\text{VDC}$ và IC ổn áp tuyến tính AMS1117 cung cấp nguồn $3{,}3\text{VDC}$ cho ESP8266. Relay $12\text{VDC}$ (dòng tải tiếp điểm cực đại $10\text{A}$), còi chip $5\text{V}$ phát tần số $2500\text{ Hz}$, transistor BJT C1815 và diode bảo vệ chống dòng ngược.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích lý thuyết: Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật các IC chuyên dụng từ datasheet, tổng hợp cấu trúc tập lệnh AT của ESP8266 và nguyên lý chuyển đổi điện áp của cảm biến Hall ACS712.
- Phương pháp thiết kế mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, tính toán dòng điện định mức cho các linh kiện ổn áp và bố trí đường mạch in (PCB Layout).
- Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Chế tạo mạch in 2 lớp, lắp ráp linh kiện, dùng đồng hồ vạn năng đo kiểm tra các mức điện áp nguồn chuẩn ($12\text{V}$, $5\text{V}$, $3{,}3\text{V}$) trước khi cấp tải.
- Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình thu thập tín hiệu cho ESP8266 qua mạch nạp USB-to-UART FT232RL; cài đặt môi trường Node.js trên Raspberry Pi qua phần mềm PuTTY (giao thức SSH) để xây dựng ứng dụng web quản lý dữ liệu.
Thiết kế và triển khai
Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống giám sát được phân chia thành 6 khối chức năng chính:
| Khối chức năng |
Phần cứng/Linh kiện sử dụng |
Chức năng kỹ thuật trong hệ thống |
| Khối nguồn |
Biến áp 12VDC, Diode cầu 5A, IC 7805, IC AMS1117 |
Chuyển đổi $220\text{VAC}$ thành $12\text{VDC}$ (nuôi relay), $5\text{VDC}$ (nuôi cảm biến, còi chip) và $3{,}3\text{VDC}$ (nuôi ESP8266). |
| Khối điều khiển trung tâm |
Module Wi-Fi SoC ESP8266 |
Tiếp nhận tín hiệu analog từ cảm biến dòng qua 2 Op-Amp, truyền dữ liệu lên webserver và nhận lệnh phản hồi. |
| Khối cảm biến |
IC cảm biến dòng Hall ACS712 (20A) |
Đo lường dòng điện tải thực tế qua mạch điện xoay chiều và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tuyến tính. |
| Khối Webserver |
Kit Raspberry Pi Model B+ (Node.js) |
Quản lý đăng nhập người dùng, tiếp nhận chuỗi HTTP request, ghi dữ liệu vào database và vẽ đồ thị thời gian thực. |
| Khối cảnh báo và chấp hành |
Còi chip 5V (2500Hz), Relay 12V (10A), BJT C1815 |
Phát âm thanh cảnh báo và kích ngắt tiếp điểm relay cắt nguồn tải khi phát hiện sự cố quá dòng. |
| Khối động cơ/phụ tải |
Nồi cơm điện (350W), bình đun siêu tốc |
Đóng vai trò phụ tải tiêu thụ thực nghiệm để đo kiểm công suất và dòng điện qua hệ thống. |
Danh mục linh kiện tiêu biểu
| STT |
Tên linh kiện |
Giá trị/Thông số |
Chú thích kỹ thuật |
| 1 |
Module Wi-Fi ESP8266 |
$3{,}3\text{VDC}$ |
Module xử lý và truyền nhận không dây |
| 2 |
IC ổn áp LM7805 |
$5\text{V} - 1\text{A}$ |
Có gắn cánh tản nhiệt nhôm |
| 3 |
IC ổn áp AMS1117 |
$3{,}3\text{V} - 1\text{A}$ |
Cấp nguồn nuôi riêng cho ESP8266 |
| 4 |
Cảm biến dòng điện ACS712 |
Dải đo $\pm 20\text{A}$, nguồn $5\text{V}$ |
Độ nhạy $100\text{ mV/A}$ |
| 5 |
Còi chip cảnh báo |
$5\text{VDC}$, tần số $2500\text{ Hz}$ |
Phát âm thanh khi vượt ngưỡng |
| 6 |
Relay điện tử |
Cuộn hút $12\text{VDC}$, tiếp điểm $10\text{A}$ |
Loại rơ-le 5 chân (COM, NO, NC) |
| 7 |
Transistor điều khiển |
BJT C1815 ($I_c = 150\text{ mA}$) |
Đóng ngắt relay và còi báo |
| 8 |
Biến áp nguồn |
Điện áp vào $220\text{VAC}$, ra $12\text{VDC}$ |
Khối hạ áp cấp nguồn cách ly |
| 9 |
Công tắc đóng ngắt |
Dòng định mức $6\text{A}$ |
Điều khiển cấp nguồn tổng |
Quy trình lập trình và triển khai phần mềm
-
Cấu hình firmware vi điều khiển (ESP8266):
- Cài đặt gói mở rộng ESP8266 trong Arduino IDE thông qua đường dẫn bổ sung Boards Manager:
http://arduino.com/stable/package_esp8266com_index.json.
- Chọn loại board
Generic ESP8266 Module và cổng giao tiếp COM tương ứng với cổng nối tiếp của mạch nạp FT232RL.
- Giải thuật nạp vào ESP8266 thực hiện tuần tự: Khởi tạo kết nối Wi-Fi $\rightarrow$ Đọc giá trị điện áp từ chân ADC của ACS712 $\rightarrow$ Mã hóa dữ liệu dòng điện vào URL $\rightarrow$ Gửi HTTP Request lên webserver định kỳ (chu kỳ trễ 2 giây/lần) $\rightarrow$ Nhận phản hồi trạng thái từ server.
- Chân GPIO05 xuất tín hiệu kích còi chip; chân GPIO16 xuất tín hiệu kích ngắt relay qua diode chống sốc điện áp ngược.
-
Cấu hình Webserver trên Raspberry Pi Model B+:
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Đặt vấn đề
Chương này phân tích thực trạng sử dụng điện năng, giới thiệu chiến dịch Giờ Trái đất và sự cần thiết của việc quản lý điện năng trong xưởng sản xuất. Tác giả trình bày chi tiết 4 mục tiêu nghiên cứu, 10 nội dung nhiệm vụ cần giải quyết, xác định các giới hạn thực nghiệm của mô hình (kích thước mô hình vuông $50\text{ cm}$, tải thực nghiệm công suất thấp gồm nồi cơm điện và ấm đun nước, cảm biến ACS712 dải 20A) cùng bố cục tổng thể của đồ án gồm 6 chương.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương tập trung vào hai phần chính:
- Phương pháp tính toán điện năng: Trình bày công thức $P = U \cdot I$ và $A = P \cdot t$, kèm theo bài toán mẫu tính toán điện năng tiêu thụ cho máy điều hòa công suất $1200\text{ W}$ ($1{,}2\text{ kW}$) hoạt động $10\text{ giờ/ngày}$, dẫn đến lượng điện tiêu thụ trong ngày là $A = 1{,}2 \times 10 = 12\text{ kWh}$.
- Khảo sát chi tiết phần cứng: Trình bày thông số, sơ đồ chân, bảng tập lệnh AT của module Wi-Fi ESP8266; cấu trúc bán dẫn và bảng phân loại 3 dòng cảm biến ACS712 (bản 5A có độ nhạy $185\text{ mV/A}$, bản 20A có độ nhạy $100\text{ mV/A}$, bản 30A có độ nhạy $66\text{ mV/A}$); cấu hình phần cứng kit Raspberry Pi Model B+ (chip ARM $700\text{ MHz}$, 40 chân GPIO, 4 cổng USB); nguyên lý hoạt động của relay 5 chân $12\text{V}$, IC ổn áp LM7805 ($5\text{V}-1\text{A}$), IC ổn áp AMS1117 ($3{,}3\text{V}-1\text{A}$) và mạch nạp USB-UART FT232RL.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 3 xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ khối hệ thống gồm 6 khối chức năng: khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, khối webserver, khối hiển thị, khối cảnh báo chuông/relay ngắt và khối phụ tải xoay chiều. Tác giả trình bày sơ đồ nguyên lý toàn mạch vẽ trên phần mềm Proteus: điện áp $220\text{VAC}$ qua biến áp hạ xuống $12\text{VDC}$, qua chỉnh lưu cầu diode tạo điện áp $15\text{VDC}$, sau đó qua IC LM7805 ổn định mức $5\text{VDC}$ và qua tiếp IC AMS1117 để tạo ra nguồn $3{,}3\text{VDC}$ cho ESP8266. Tín hiệu dòng điện từ ACS712 được đưa qua mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) chuẩn hóa trước khi cấp vào chân ADC của ESP8266.
Chương 4: Thi công hệ thống và lập trình
Chương này mô tả quá trình gia công phần cứng và phát triển phần mềm:
- Thi công bo mạch: Trình bày hình ảnh layout lớp trên và lớp dưới của mạch in 2 lớp, bảng thống kê 9 linh kiện cơ bản, các bước kiểm tra điện áp ngõ ra của các IC ổn áp LM7805 và AMS1117, kỹ thuật đấu nối bảo vệ chân GPIO05 và GPIO16 bằng diode.
- Lập trình hệ thống: Trình bày 7 lưu đồ thuật toán bao gồm lưu đồ chương trình chính ESP8266, lưu đồ kết nối cập nhật dữ liệu URL, lưu đồ server phản hồi điều khiển, lưu đồ chính webserver, lưu đồ đăng ký/đăng nhập người dùng, lưu đồ hiển thị và lưu đồ gửi dữ liệu điều khiển về client. Hướng dẫn từng bước cài đặt board ESP8266 trên Arduino IDE và triển khai ứng dụng Node.js chạy trên kit Raspberry Pi B+ qua Port 3000.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Nội dung chương trình bày các kết quả thực tế đạt được:
- Về phần cứng: Hoàn thiện mạch điều khiển và lắp đặt hoàn chỉnh vào khung mô hình xưởng sản xuất $50\text{ cm} \times 50\text{ cm}$.
- Về giao diện webserver: Hoạt động ổn định trên trình duyệt với các tính năng đăng ký tài khoản, đăng nhập hệ thống, hiển thị thông số dòng điện tức thời, biểu đồ công suất tiêu thụ theo trục thời gian, và bảng cài đặt giới hạn dòng điện định mức cho thiết bị/vùng quản lý.
- Nhận xét đánh giá: Mạch điều khiển phản hồi nhanh, cập nhật dữ liệu đều đặn mỗi 2 giây, chức năng cảnh báo còi chip và ngắt relay hoạt động chính xác theo ngưỡng dòng điện đã cấu hình.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra ban đầu, xác định tỷ lệ đạt được của đề tài và đề xuất các giải pháp nâng cấp mở rộng hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính của đề tài
-
Thi công phần cứng hoàn chỉnh:
- Thiết kế và chế tạo thành công mạch in 2 lớp tích hợp khối nguồn đa mức ($12\text{V}$, $5\text{V}$, $3{,}3\text{V}$), đảm bảo độ sụt áp ổn định và cách ly chống sốc điện cho vi xử lý ESP8266.
- Kết nối thành công cảm biến dòng Hall ACS712-20A với vi điều khiển ESP8266 qua mạch đệm Op-Amp để đo dòng điện của các thiết bị xoay chiều phụ tải.
- Bố trí mạch điều khiển, công tắc, ổ cắm điện $220\text{V}$ và thiết bị cảnh báo vào mô hình xưởng sản xuất hình vuông kích thước $50\text{ cm} \times 50\text{ cm}$.
-
Xây dựng nền tảng Webserver IoT trên Raspberry Pi:
- Cài đặt thành công môi trường Node.js và framework Express trên máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+, giao tiếp qua cổng mạng cục bộ Port 3000.
- Xây dựng giao diện web đa chức năng: Module xác thực người dùng (đăng ký/đăng nhập), module giám sát trực quan đồ thị dòng điện và công suất theo thời gian thực, module cấu hình ngưỡng giới hạn dòng điện.
- Thiết lập thành công chu kỳ lấy mẫu và cập nhật dữ liệu tự động giữa ESP8266 và server với khoảng thời gian $2\text{ giây/lần}$.
-
Xử lý logic điều khiển và cảnh báo quá tải:
- Thực thi cảnh báo âm thanh qua còi chip $5\text{V}$ ($2500\text{ Hz}$) và hiển thị ký tự cảnh báo màu đỏ trên giao diện web khi dòng điện thực tế vượt ngưỡng quy định.
- Vận hành linh hoạt 2 chế độ bảo vệ: Tự động ngắt relay $12\text{V}$ ngay khi quá dòng hoặc cho phép người dùng tùy chọn duy trì nguồn điện (chế độ bằng tay) khi cần thiết bị làm việc thêm giờ.
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Ứng dụng mô hình giám sát điện năng theo phân vùng trong các xí nghiệp nhằm giúp ban quản lý nhận diện nhanh chóng các vị trí hoặc thiết bị tiêu hao điện năng bất thường, từ đó đưa ra kế hoạch điều chỉnh lịch làm việc hợp lý.
- Thiết lập ngưỡng bảo vệ dòng điện chủ động cho từng cụm thiết bị thay vì chỉ dựa vào aptomat truyền thống, giúp phòng ngừa nguy cơ chập cháy điện do làm việc quá công suất quy định.
Đóng góp về mặt học thuật và kỹ thuật
- Kết hợp thành công giữa nền tảng phần cứng nhúng chi phí thấp (ESP8266, ACS712) với máy tính nhúng cục bộ (Raspberry Pi) để xây dựng hệ thống giám sát năng lượng IoT độc lập, không phụ thuộc vào các dịch vụ đám mây thương mại đắt tiền.
- Ứng dụng công nghệ lập trình web thời gian thực bằng Node.js trên phần cứng Raspberry Pi, tạo tiền đề cho các giải pháp quản lý năng lượng phân tán tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Quy mô mô hình: Hệ thống chỉ mới dừng lại ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm với kích thước xưởng vuông $50\text{ cm} \times 50\text{ cm}$.
- Công suất và loại phụ tải: Thử nghiệm chỉ thực hiện trên 02 tải điện xoay chiều 1 pha công suất nhỏ (nồi cơm điện $350\text{W}$, ấm đun nước), chưa tiến hành đo kiểm trên các động cơ công nghiệp 3 pha hoặc tải công suất lớn.
- Giới hạn đo của cảm biến: Cảm biến ACS712 sử dụng trong đồ án có giới hạn đo tối đa là $20\text{A}$.
- Phạm vi triển khai mạng: Webserver Node.js chủ yếu vận hành trong mạng nội bộ (Localhost kết nối qua Port 3000), việc cấu hình tên miền truy cập từ xa qua mạng Internet diện rộng mới ở bước đầu tiếp cận.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nâng cấp cảm biến và mạch đo để có khả năng giám sát hệ thống điện 3 pha và các loại động cơ công nghiệp có dòng định mức lớn hơn.
- Mở rộng chức năng đo lường tích hợp: Đo đồng thời hiệu điện thế ($U$), hệ số công suất ($\cos\varphi$) để tính toán chính xác công suất tác dụng ($P$), công suất phản kháng ($Q$) và điện năng tiêu thụ tổng thể.
- Triển khai máy chủ web lên nền tảng Cloud Server hoặc cấu hình hệ thống mạng với IP tĩnh để hỗ trợ giám sát và điều khiển từ xa từ bất kỳ mạng Internet nào.
- Phát triển ứng dụng chuyên dụng trên thiết bị di động (hệ điều hành Android/iOS) để tăng tính linh hoạt và trực quan cho người vận hành.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế đối với:
- Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Tự động hóa và Kỹ thuật Máy tính: Tài liệu cung cấp toàn bộ quy trình từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý trên Proteus, kỹ thuật thi công mạch in phân tầng nguồn ($12\text{V}$, $5\text{V}$, $3{,}3\text{V}$), đến kỹ thuật lập trình vi điều khiển ESP8266 qua Arduino IDE.
- Người thực hiện các đề tài nghiên cứu về IoT và Năng lượng: Cung cấp phương pháp mẫu về việc sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+ làm Webserver cục bộ chạy Node.js (thư viện Express), kết nối và vẽ biểu đồ công suất thời gian thực từ dữ liệu cảm biến gửi về qua giao thức HTTP.
- Phần đáng tham khảo nhất:
- Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch ổn áp bảo vệ (Chương 3): Giải pháp phối hợp giữa biến áp $12\text{V}$, diode cầu, IC 7805 và IC AMS1117 để cấp nguồn an toàn cho ESP8266.
- Hệ thống lưu đồ giải thuật và cấu hình nạp chương trình (Chương 4): Các bước thiết lập môi trường Arduino IDE cho ESP8266 và quy trình cài đặt Node.js trên Linux Raspberry Pi.
Câu hỏi thường gặp
1. Cảm biến dòng điện ACS712 sử dụng trong đồ án là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?
Đề tài sử dụng cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall mang mã hiệu ACS712-20A. Cảm biến có dải đo dòng điện từ $-20\text{A}$ đến $+20\text{A}$ (đo được cả dòng DC và AC), điện áp hoạt động $5\text{VDC}$, độ nhạy ngõ ra là $100\text{ mV/A}$, thời gian đáp ứng $5\mu\text{s}$, băng thông $80\text{ kHz}$, điện trở dẫn trong $1{,}2\text{ m}\Omega$ và có khả năng cách điện tối thiểu $2{,}1\text{ kV RMS}$.
2. Webserver của hệ thống được lập trình bằng công nghệ gì và triển khai trên phần cứng nào?
Webserver được xây dựng bằng ngôn ngữ JavaScript trên nền tảng Node.js (sử dụng framework Express trong thư mục express_morgan). Máy chủ này được cài đặt và vận hành trực tiếp trên kit máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+ (vi xử lý Broadcom ARM 32-bit $700\text{ MHz}$, chạy hệ điều hành Linux), kết nối và truyền nhận dữ liệu thông qua Port 3000.
3. Hệ thống xử lý thế nào khi giá trị dòng điện đo được vượt quá ngưỡng giới hạn cài đặt?
Khi dòng điện vượt ngưỡng: ESP8266 sẽ kích hoạt chân GPIO05 để bật còi chip $5\text{V}$ phát âm thanh cảnh báo tần số $2500\text{ Hz}$, đồng thời hiển thị thông báo chữ màu đỏ trên giao diện web. Nếu hệ thống ở chế độ Tự động, chân GPIO16 sẽ lập tức kích ngắt relay $12\text{V}$ để cắt nguồn tải. Nếu ở chế độ Bằng tay và người dùng kích hoạt cho phép chạy thêm giờ, còi vẫn cảnh báo nhưng relay sẽ không ngắt điện.
4. Vì sao cần dùng đồng thời hai IC ổn áp LM7805 và AMS1117 trong mạch nguồn?
Nguồn $12\text{VDC}$ từ biến áp sau khi nắn dòng tạo điện áp $15\text{VDC}$ sẽ qua IC LM7805 để hạ áp và ổn định mức $5\text{VDC}$ cung cấp cho cảm biến ACS712, còi chip và mạch đệm Op-Amp. Do vi điều khiển ESP8266 hoạt động ở điện áp $3{,}3\text{V}$ (nếu cấp nguồn $5\text{V}$ trực tiếp ESP8266 sẽ bị hỏng), mạch bắt buộc phải dùng thêm IC ổn áp tuyến tính AMS1117 để chuyển tiếp từ nguồn $5\text{VDC}$ xuống $3{,}3\text{VDC}$ ổn định.
5. Mô hình thử nghiệm thực tế của đồ án được triển khai trên những phụ tải nào?
Trong phạm vi giới hạn của đề tài, hệ thống thực nghiệm được lắp đặt trong khung mô hình xưởng hình vuông kích thước $50\text{ cm} \times 50\text{ cm}$ và đo kiểm trên 02 thiết bị điện xoay chiều công suất thấp gồm nồi cơm điện Kim Cương dung tích 0,6 lít (công suất định mức 350W) và bình đun nước siêu tốc.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Giám sát mức tiêu thụ điện năng của mô hình một xưởng sản xuất sử dụng hệ thống IoT" của tác giả Phạm Ngọc Anh và Trần Thanh Duy đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống đo lường, giám sát dòng điện và công suất tiêu thụ phụ tải theo thời gian thực. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ESP8266, cảm biến Hall ACS712 và máy tính nhúng Raspberry Pi chạy máy chủ Node.js, hệ thống đã thực hiện tốt chức năng cảnh báo quá tải, trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ web và điều khiển ngắt mạch an toàn. Đề tài là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên ngành Điện - Điện tử và Kỹ thuật Máy tính trong việc phát triển các giải pháp giám sát năng lượng phân tán dựa trên công nghệ Internet of Things.
